突破AI数据中心电源瓶颈，TI可堆叠超高功率集成式保险丝TPS1685与高频通用GaN LMG3650发布

在人工智能（AI）、云计算和5G技术迅猛发展的推动下，现代数据中心正迎来前所未有的变革。服务器机架的功率需求激增，48V母线架构逐渐取代传统12V系统，高功率密度、高效率和可靠保护成为行业核心挑战。德州仪器（Texas Instruments, TI）以其在半导体领域的深厚积淀，于近日发布了全新电源管理芯片TPS1685和氮化镓（GaN）器件LMG3650。这两款产品通过高度集成化设计、优化的性能和灵活的应用支持，为AI数据中心提供智能、可靠的电源管理方案，助力行业在高性能计算与能源效率之间找到完美平衡。本文将深入剖析这两款产品的技术亮点、应用场景及对数据中心电源架构的深远影响。

AI潮起，数据中心电源管理迎来时代命题

AI数据中心的崛起正在重塑全球科技格局。从生成式AI模型训练到实时云端推理，GPU和TPU等高性能计算单元的广泛应用使得服务器电源需求呈指数级增长。以往以CPU为主的12V电源架构因高电流带来的铜损问题已难以满足现代需求，而48V母线通过降低电流显著提升效率，成为行业新标准。然而，48V架构的普及带来了新的挑战：如何在更高电压下实现精准的保护机制？如何在有限空间内提升功率密度？如何在高频操作中平衡效率与电磁干扰（EMI）？这些问题无不指向一个核心——半导体技术的创新。

德州仪器系统经理游声扬在发布会上指出：“GPU相对于CPU需要更大的功率、更大的功耗。对于半导体和电源设计来说，我们需要聚焦功率密度、效率，同时额外的保护和系统可靠性也是重点。”这一洞察精准概括了AI数据中心电源管理的核心诉求。TI的TPS1685和LMG3650正是为此量身打造，通过集成化设计和先进材料技术，为数据中心提供高效、可靠的解决方案。

TPS1685：集成化重塑电源保护

TPS1685是一款专为48V服务器电源设计的集成式热插拔电子保险丝，针对AI数据中心的高功率密度和动态负载需求进行了深度优化。与传统分立式热插拔控制器相比，TPS1685通过高度集成化设计，将元件数量削减50%，采用紧凑的30平方毫米QFN（四方扁平无引脚）封装，显著降低PCB占用面积。这种小型化设计不仅提升了功率密度，还为服务器机架释放更多空间，满足高密度计算的需求。

TPS1685的核心优势在于其精准的电流管理和快速的故障响应能力。器件内置电流传感器，通过IMON引脚实现并联器件间的动态电流平衡，有效避免因阻抗不匹配导致的电流失衡。即使在多器件并联的高电流场景（如5kW及以上），也能确保每个电子保险丝的负载均衡，提升系统整体稳定性。游声扬在发布会上强调：“TPS1685的集成式设计可以减少设计上所需要的时间，更有效地确保不同晶体管之间的电流做到均衡。”这一特性在GPU负载剧烈波动的AI应用中尤为关键。

智能诊断与动态保护

AI数据中心的电源系统常常面临瞬时过载的挑战，例如GPU在高算力任务下的动态电流 spikes。TPS1685通过过流消隐计时器（overcurrent blanking timer）有效避免误触发，确保系统在短时过流情况下无需中断运行。此外，器件集成了“黑匣子”功能，可记录过流、过压、过温等故障事件的数据，供工程师分析问题根因。这种智能诊断能力不仅提升了系统可靠性，还缩短了故障排查时间。

在安全性方面，TPS1685通过主动RDS（导通电阻）调节机制优化并联晶体管的电流分配，并针对晶体管的安全工作区（SOA）进行了精细设计，确保器件在高负载下的长期稳定运行。支持6kW及以上功率等级的并联扩展能力，进一步使其成为高功率服务器电源的理想选择。

应用场景与评估支持

TPS1685的目标应用包括云端服务器、AI训练集群和电信电源系统。TI推出了两款评估模块（EVM）：一款支持54V/40A的双并联方案，另一款为5kW三并联方案。与传统分立式设计相比，TPS1685将评估板尺寸从380平方厘米缩减至更紧凑的布局，功率密度提升显著。

LMG3650：集成GaN的效率革命

在数据中心电源系统中，AC/DC整流和DC/DC转换阶段的效率直接影响整体能耗。传统硅基MOSFET受限于开关损耗和高频操作能力，难以满足现代高功率密度需求。氮化镓（GaN）凭借低开关损耗和快速开关特性，成为电源设计的新宠。TI推出的LMG3650是一款650V GaN FET，采用TOLL（Thin Outline Leadless）封装，提供25mΩ、35mΩ和70mΩ三种导通电阻选项，覆盖1.8kW至12kW的功率等级，广泛适用于无桥PFC（功率因数校正）整流器和隔离式DC/DC转换器。

LMG3650的最大亮点在于其高度集成化设计。器件内置驱动器，显著降低驱动环路电感，支持MHz级高频操作。游声扬指出：“我们把驱动器集成在氮化镓里面，就可以容许更高频的操作，从而充分发挥氮化镓低开关损耗的优势。”这一设计不仅缩小了磁性元件的尺寸，还提升了电源系统的整体效率，特别适合LLC串联谐振等软开关拓扑。

灵活的EMI优化与多功率选择

氮化镓的高速开关（最高可达150V/ns）在提升效率的同时，可能引入EMI干扰。LMG3650通过可调驱动强度和压摆率功能，允许工程师根据PCB布局优化开关速度。例如，在EMI敏感场景下，可将压摆率降至50V/ns以下，兼容现有碳化硅设计，降低开发成本。这种灵活性对于通信电源和高频整流器尤为重要。

LMG3650提供三种导通电阻版本，满足不同应用需求。25mΩ版本适合高功率场景，优化传导损耗；70mΩ版本因较低的COSS（输出电容）而更适合高频设计，减少开关损耗。TOLL封装的标准化设计进一步提升了供应链灵活性，便于多源采购，同时保持优异的散热性能，适合高功率密度应用。

保护机制与热管理

在高负载长时间运行的AI数据中心场景中，过压、过流及过热保护至关重要。LMG3650集成了过流和过温保护机制，通过专用引脚输出温度相关的PWM信号，配合MCU实现精准热管理。当器件接近过温阈值时，可自动关断，确保安全运行。这种智能保护机制在高功率等级（如8kW至12kW）的无桥PFC整流器和LLC转换器中尤为关键。

应用场景与评估支持

LMG3650的目标应用包括服务器电源的AC/DC整流（如1.8kW至12kW无桥PFC）和隔离式DC/DC转换（400V/450V至48V）。TI提供了三种EVM评估模块，支持不同功率等级的测试验证。

深度解析：TPS1685与LMG3650协同赋能48V架构

AI数据中心的电源架构正从12V向48V快速转型。12V系统在高功率场景下因大电流导致的铜损问题显著，而48V母线通过降低电流有效减少损耗，同时支持更高功率密度。然而，48V架构对保护机制和转换效率提出了更高要求。例如，GPU的动态负载可能引发瞬时过流，传统保护器件响应速度不足；而高频转换器则需平衡效率与EMI干扰。

TPS1685和LMG3650通过协同工作，完美应对这些挑战：

·前端保护（TPS1685）：在48V母线前端，TPS1685作为热插拔电子保险丝，提供精准的电流管理和快速故障响应。其3.65mΩ的低导通电阻确保低功耗运行，同时支持多器件并联，覆盖6kW及以上功率等级。过流消隐计时器和黑匣子功能进一步提升了动态负载下的可靠性。

·后端转换（LMG3650）：在AC/DC整流和DC/DC转换阶段，LMG3650的高频操作能力显著降低磁性元件尺寸，优化功率密度。其低COSS特性在LLC谐振拓扑中减少环流损耗，提升效率。可调压摆率设计则有效控制EMI干扰，确保高频运行的稳定性。

多级转换架构的支持

以服务器电源供应器（PSU）为例，典型多级转换架构包括：AC至400V/450V DC的无桥PFC整流、400V/450V至48V的隔离式DC/DC转换。LMG3650在无桥PFC阶段支持1.8kW至12kW的多相交错设计，提升效率；在DC/DC阶段，其高频特性配合LLC拓扑可将开关频率从传统100kHz提升至更高水平，缩小变压器尺寸。TPS1685则在48V母线端提供保护，确保从前端到后端的无缝集成。

EMI与PCB布局的优化

氮化镓的高DVDT（电压变化率）可能引发EMI干扰，尤其在高频大功率场景下。LMG3650通过集成驱动器降低环路电感，同时提供压摆率调节功能，允许工程师优化开关速度。例如，在实际测试中，当PCB布局较差时，将压摆率从100V/ns降至50V/ns可显著降低近场干扰。TI建议在高功率器件附近采用四层PCB设计，将敏感信号置于中间层，上下层作为屏蔽，进一步减少干扰。

TPS1685的集成化设计同样简化了PCB布局。其小型QFN封装和内置电流传感器减少了布线复杂度，避免了分立式方案中常见的阻抗匹配问题。这两款器件的协同优化，使工程师能够在高密度服务器设计中实现更高效的布局。

TPS1685和LMG3650的发布，不仅是TI产品线的一次重要扩展，更是对AI数据中心电源管理范式的深刻重塑：

·功率密度的飞跃：TPS1685通过集成化设计将保护电路尺寸减半，LMG3650的高频操作缩小磁性元件体积，二者共同推动服务器机架功率密度提升，为高算力AI集群提供更大空间。

·效率与可靠性的双赢：LMG3650在无桥PFC和LLC拓扑中的高效率表现，结合TPS1685的精准保护，显著降低数据中心能耗，同时确保长期运行的稳定性。

·设计简化的赋能：两款器件的高度集成化降低了开发复杂度和成本。TPS1685的并联扩展能力和LMG3650的多功率选项，为工程师提供了灵活的设计选择，加速产品上市进程。

·未来兼容性：针对48V母线架构的优化设计，使这两款产品能够无缝集成到现有和未来的数据中心电源系统中，为行业向更高电压、更高效的方向演进奠定基础。

德州仪器通过TPS1685和LMG3650的发布，展现了其在电源管理领域的深厚技术实力和前瞻视野。这两款产品以集成化设计和优异性能，完美应对AI数据中心对高功率密度、高效率和可靠保护的迫切需求。从48V母线的精准保护到高频转换的效率突破，TI正在为数据中心电源系统的未来树立新标杆。